全文要點：

1. 研究目的：確保煤礦井下氫燃料電池運輸車在甲烷煤塵爆炸性環(huán)境中的應用安全性。

2. 氫燃料電池自身風險：氫氣泄露（高壓存儲、難發(fā)覺）、爆炸（爆炸范圍5%-75%）、氫脆現(xiàn)象（金屬材料力學性能降低）。

3. 傳統(tǒng)防爆方案不適用：隔爆型無標準支撐（電堆有氧氣進入）、本安型無法針對化學反應、增安型未包含氫燃料蓄電池、正壓型氧氣濃度不符合標準。

4. 煤礦爆炸環(huán)境差異：I類（甲烷）與IIC類（氫氣）環(huán)境防爆要求不同，IIC類外殼間隙、測試參數(shù)更嚴格。

5. 核心解決方案：基于特殊型防爆的綜合方案，涵蓋外殼強化（強度、隔爆參數(shù)）、密封防護（防水防塵防腐）、散熱優(yōu)化、接地與靜電消除、安全聯(lián)鎖裝置。

6. 功能安全設計要點：關鍵部件冗余配置、實時故障檢測（壓力/流量/溫度等參數(shù)）、過壓過流過熱保護、軟件安全設計、可靠性評估驗證。

7. 儲氫與供氫措施：采用抗氫脆材料（合成儲氫瓶、不銹鋼/聚合物管道），儲氫瓶及連接管符合規(guī)范；供氫系統(tǒng)異常時關斷電磁閥并報警，安裝泄漏傳感器實時監(jiān)測。

8. 應急響應策略：制定應急操作流程（故障切換至安全狀態(tài)）、及時報警與數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心。

9. 強調(diào)“三防兩嚴”方針：防泄漏、防集聚、防點火，嚴控氫氣品質(zhì)及流程管理。

10. 保障措施：需從技術、檢測、管理、人員培訓多方面把控，制定安全措施和標準。

---

為確保煤礦井下氫燃料電池運輸車在甲烷煤塵爆炸性環(huán)境中應用的安全性，分析了氫燃料電池在封閉環(huán)境下的潛在風險，對比隔爆型、本安型等傳統(tǒng)防爆方案的適用性，結(jié)合煤礦I類與IIC類爆炸環(huán)境的差異，提出基于特殊型防爆的綜合解決方案，涵蓋外殼強化、密封防護、散熱優(yōu)化、冗余系統(tǒng)設計及實時監(jiān)測等多維度技術措施，并強調(diào)功能安全設計、儲氫材料優(yōu)化與應急響應策略的重要性。

文章來源：《智能礦山》2025年第5期“學術園地”欄目

作者簡介：宋占松，高級工程師，主要從事礦用產(chǎn)品安全標志防爆電器認證的相關工作。E-mail：25262696@qq.com

作者單位：安標國家礦用產(chǎn)品安全標志中心有限公司

引用格式：宋占松. 煤礦運輸車用氫燃料電池的應用安全研究[J]. 智能礦山，2025，6(4)：67-70.

點擊文末左下角閱讀原文，免費下載閱讀pdf全文

關注微信公眾號，了解更多礦山智能化建設進展

氫燃料電池是通過化學反應利用氫能的發(fā)電裝置，主要由燃料電池電堆和燃料電池系統(tǒng)的輔助裝置組成，氫燃料電池具有無污染、可靠性高、效率高、零排放以及原料充足的優(yōu)點。氫燃料電池目前已在車用領域及固定電站、便攜式發(fā)電等方向得到應用。

隨著煤礦井下裝備的升級，氫燃料電池在煤礦井下運輸車得到部分應用，由于煤礦井下為相對封閉場所，且為甲烷和煤塵存在或有突出風險的場合，氫燃料電池的應用會帶來一定的風險，研究分析此類產(chǎn)品在煤礦井下應用風險，為氫燃料電池在煤礦安全應用奠定技術基礎。

氫燃料電池自身風險

1.1 泄露風險

氫氣密度小多采用高壓存儲，無色無味泄漏后難發(fā)覺。氫燃料電池存儲的高壓氫氣瓶管路接口和彎頭較多存在氫氣泄露風險。氫燃料電池是利用氫氣和氧氣氧化還原反應，存在氫氣不充分燃燒的可能，作為廢氣排放到周圍空氣中，在煤礦井下應用時增加了氫氣濃度，如果遇到電氣火花或機械火花，易造成爆炸等事故。

1.2 爆炸風險

氫氣活性高、爆炸范圍寬，濃度為5%~75%存在發(fā)生爆炸危險，在煤礦井下相對封閉的環(huán)境中，氫氣不易擴散，在有限空間增加了氫氣爆炸的危險性。

1.3 氫脆現(xiàn)象

氫和金屬材料相互作用會產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，氫原子進入金屬內(nèi)部導致材料力學性能降低，易發(fā)生失效斷裂。高壓氫氣瓶是氫燃料電池的一部分，高壓氫氣瓶因高壓及連接閥等是薄弱的位置，如果高壓氫氣瓶和反應釜發(fā)生氫脆現(xiàn)象，存在氫燃料電池系統(tǒng)破壞風險。

氫燃料電池電堆的防爆設計難點

氫燃料電池的核心部件為發(fā)生氧化還原反應的電堆，通常由外殼、管路、電極、電解液和催化劑等組成，氫燃料電池的電堆通過氫氣和氧氣發(fā)生化學反應輸出電能，在煤礦井下存在甲烷等爆炸風險的場所，氫燃料電池電堆的防爆設計是重點和難點，煤礦井下爆炸性環(huán)境中的防爆設計包括隔爆型、本安型、增安型、正壓型和特殊型，氫燃料電池電堆原理如圖1所示。

圖1 氫燃料電池電堆原理

2.1 隔爆型方案分析

隔爆型設備執(zhí)行標準為GB/T 3836.1-2021、GB/T 3836.2-2021，原理為把帶電體放入隔爆外殼內(nèi)，使內(nèi)部電氣火花不會傳播到外部，保證不會發(fā)生煤礦井下爆炸事故。但GB/T 3836.2-2021附錄E中規(guī)定了隔爆外殼中電池類型包括原電池和蓄電池，蓄電池中主要為鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子蓄電池，不包括氫燃料電池。電堆結(jié)構(gòu)設計為隔爆型，隔爆外殼內(nèi)有管路，從外部到內(nèi)部通氫氣和氧氣，形成隔爆外殼內(nèi)部的釋放源，同時存在水排出隔爆外殼，形成內(nèi)置系統(tǒng)。GB/T 3836.2-2021附錄E對內(nèi)置系統(tǒng)的要求為內(nèi)部釋放源氧濃度不大于正?？諝猓瑲淙剂想姵赜屑冄鯕膺M入電堆不符合本要求規(guī)定，因此，氫燃料電池電堆設計成隔爆型沒有標準支撐。

2.2 本安型方案分析

本安型設備執(zhí)行標準為GB/T 3836.1-2021、GB/T 3836.4-2021，原理是通過限制電氣設備火花或能量使電氣設備無法點燃周圍甲烷。該防爆型式針對電氣設備電路，對于氫燃料電池的電堆，存在氫氣和氧氣的氧化反應，無法通過本安設計實現(xiàn)防爆。

2.3 增安型方案分析

增安型設備執(zhí)行標準為GB/T 3836.1-2021、GB/T 3836.3-2021，原理是通過采取附加措施保證安全型，防止溫度過高和產(chǎn)生電弧和火花的保護方式。防爆型式應用范圍主要包括電動機、燈具、測量儀表、互感器、接線盒、加熱器，對電池要求主要針對鎳氫、鎳鎘、鉛酸類的電化學蓄電池，增安型標準里是未包含氫燃料蓄電池。

正壓型設備執(zhí)行標準為GB/T 3836.1-2021、GB/T 3836.5-2021，原理為電氣設備設置正壓外殼，保持外殼內(nèi)部保護氣體的壓力高于外部壓力，以阻止外部爆炸性氣體進入外殼的防爆型式。氫氣和氧氣管路使正壓外殼內(nèi)形成了內(nèi)釋放源，無法滿足靜態(tài)正壓形式，只能通過設計為內(nèi)釋放源的正壓防爆型式。根據(jù)GB/T 3836.5-2021第13.2.2條，可燃性物質(zhì)中的氧氣濃度不應超過2%，氫燃料電池是空氣或純氧氣輸入，不符合正壓標準規(guī)定，正壓外殼內(nèi)是否適用于化學反應的電堆也需進一步研究和論證。

氫燃料電池電堆對煤礦防爆電氣設備影響

煤礦用防爆電氣是基于煤礦井下爆炸性環(huán)境設計，煤礦井下的爆炸性氣體主要是甲烷I類環(huán)境，主要防爆標志為Ex db I Mb。氫氣則是IIC類爆炸性環(huán)境，產(chǎn)品防爆設計要求不同。

（1）針對目前主流防爆電氣外殼結(jié)合面的最小寬度和最大間隙，I類防爆電氣和IIC類防爆電氣標準要求見表1。相同防爆電氣設備，I類設備間隙要求可放大到II類設備的3～10倍，圓筒隔爆面和滾動軸承隔爆面的寬度不能小于25 mm，IIC類設備不允許使用滑動軸承，表明IIC類設備設計要求更加嚴格。

（2）內(nèi)部點燃不傳爆的測試參數(shù)IIC類設備的要求和測試均比I類設備高。氫燃料電池由于尾氣存在氫氣泄露風險，帶來煤礦井下新的氫氣爆炸性環(huán)境風險，如果形成爆炸三要素，I類設備考核的防爆電氣設備無法抵抗氫氣環(huán)境爆炸，存在爆炸事故風險。

表1 I類和IIC類外殼隔爆結(jié)合面要求

氫燃料電池電堆的防爆設計解決方案

4.1 氫燃料電池反應釜的防爆設計

采用基于礦用隔爆型為基礎的特殊型防爆方式，主要包括6個設計要點，反應釜防爆設計流程如圖2所示。

圖2 反應釜防爆設計流程

（1）外殼設計

外殼應具有足夠的強度和剛度，能夠承受內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的壓力， 隔爆外殼接合面寬度、間隙和粗糙度等參數(shù)應符合相關標準及表1規(guī)定，外殼材料應具有良好的耐腐蝕性和機械性能。

（2）電氣設計

選用符合防爆要求的電氣元件，如防爆電機、防爆開關、本安傳感器等，布線符合防爆規(guī)范，避免產(chǎn)生火花和過熱。

（3）密封與防護

確保外殼密封性能，防止爆炸性物質(zhì)進入，采取防護措施，主要包括防水、防塵、防腐等。

（4）散熱設計

考慮產(chǎn)品在正常運行時的散熱需求，避免因過熱引發(fā)危險。

（5）接地與靜電消除

建立可靠接地系統(tǒng)，及時導出靜電和雷電電流。

（6）安全聯(lián)鎖裝置

設計必要的安全聯(lián)鎖裝置，確保在特定條件下產(chǎn)品不能啟動或停止運行。

4.2 功能安全設計

氫燃料電池的功能安全設計是確保在各種運行條件下可靠、安全工作的關鍵環(huán)節(jié)，主要包括7個方面，功能安全設計流程如圖3所示。

圖3 功能安全設計流程

（1）系統(tǒng)架構(gòu)設計

關鍵部件和子系統(tǒng)采用冗余配置，如多個傳感器監(jiān)測相同參數(shù)，當1個傳感器出現(xiàn)故障時，其他參數(shù)仍能保證正常監(jiān)測和控制。合理分區(qū)和隔離，將不同功能和安全等級的部件分區(qū)設計，通過物理隔離或電氣隔離，防止故障傳播。

（2）故障檢測與診斷

實時監(jiān)測關鍵參數(shù)，設置氫氣壓力、流量、溫度、電池電壓、電流等閾值，超出范圍即判定為故障。采用先進的診斷算法，利用數(shù)據(jù)分析和機器學習算法，精準識別潛在故障模式和早期故障跡象。

（3）安全保護機制

采用過壓、過流保護，防止電路中的電壓和電流過高，損壞部件或引發(fā)危險；設計過熱保護，當溫度過高時，采取冷卻措施或停止系統(tǒng)運行；采取氫氣泄漏檢測與防護，安裝靈敏的氫氣泄漏傳感器，若檢測到泄漏，立即采取通風、切斷氫氣供應等措施。

（4）應急響應策略

制定明確的應急操作流程，在發(fā)生嚴重故障時，系統(tǒng)自動或手動切換到安全狀態(tài)；故障報警與通信及時向操作人員發(fā)送故障報警信息，并將相關數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心采取進一步的措施。

（5）軟件安全設計

采用嚴格的軟件開發(fā)流程，進行代碼審查、測試和驗證，確保軟件的穩(wěn)定性和可靠性；防篡改和加密保護軟件免受未經(jīng)授權的訪問和修改。

（6）可靠性評估與驗證

故障模式與影響分析（FMEA）和故障樹分析（FTA），識別潛在的風險和薄弱環(huán)節(jié)；通過模擬實驗、實際測試和現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，驗證系統(tǒng)的功能安全性能。

（7）人員培訓與操作規(guī)范

對操作人員進行專業(yè)培訓，熟悉系統(tǒng)操作和應急處理流程；制定嚴格的操作規(guī)范和維護手冊，確保系統(tǒng)正確使用和維護。

4.3 氫氣儲存和使用措施

（1）在儲氫系統(tǒng)方面，采用合適的材料防止氫脆，如高壓儲氫瓶選擇合成材料，各種燃料管道以及閥件采用抗氫脆的不銹鋼或聚合物，并在強度設計中留有足夠的安全余量，且儲氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質(zhì)須符合相關國家規(guī)范的安全要求。

（2）加氫系統(tǒng)方面，在高壓氫氣加注過程中檢測車載壓縮氫氣存儲系統(tǒng)內(nèi)的壓力、容量、溫度及授權指令等數(shù)據(jù)，以降低安全隱患。

（3）供氫系統(tǒng)方面，當檢測到壓力或溫度異常時，系統(tǒng)立即關斷電磁閥，并向整車管理系統(tǒng)發(fā)送報警信息，通過聲光報警提示司機采取必要措施。針對氫意外泄漏，在儲氫瓶口及燃料電池系統(tǒng)易于聚集和泄漏處安裝多個氫氣泄漏傳感器，實時監(jiān)測氫含量，發(fā)生泄漏立即采取響應處置。

結(jié) 語

煤礦氫燃料電池車在井下使用帶來便利也存在一定隱患，從技術、檢測、管理以及人員培訓等多方面進行把控，嚴格貫徹防泄漏、防集聚、防點火，嚴控氫氣品質(zhì)的及嚴格流程管理的“三防兩嚴”方針，制定相關安全措施和標準，通過防爆和功能安全等排除潛在風險因素，以保證氫燃料電池設備在井下安全使用。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

往期薦讀

• 關于召開2025智慧礦山技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇（新疆）暨中國自動化學會智慧礦山專業(yè)委員會、《智能礦山》理事會、特約編輯年會的通知

• 行業(yè)聚焦┃2024年煤炭清潔高效利用智能化成果發(fā)布暨選煤廠智能化建設論壇順利召開

• 征稿┃《智能礦山》面向廣大讀者征稿，歡迎投稿

• 歡迎訂閱┃《智能礦山》雜志2025年訂閱開始了！

• 行業(yè)聚焦┃2024年煤礦智能化重大進展發(fā)布會成功召開

• 《智能礦山》創(chuàng)刊4周年回顧

• 王國法院士煤礦智能化觀點集錦

• 新書訂閱 ┃《中國煤礦智能化發(fā)展報告（2024年）》（王國法，劉峰 主編）

往期特刊

中國煤科特刊

陜煤集團特刊

神東專欄

重大進展特刊

露天礦特刊

理事單位特刊

紅柳林煤礦特刊

創(chuàng)新技術特刊

創(chuàng)刊號

版權聲明

本刊對已出版文章持有電子版、網(wǎng)絡版及進行網(wǎng)絡技術交流和與各網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫合作的權利，稿酬一次性付清，版權歸本刊與作者共同所有，如不同意，請在投稿時聲明。

---

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實相關內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應并做處理，再次感謝您的閱讀與關注。